高紅杰（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安　710043）

西格二線關(guān)角特長隧道地質(zhì)勘察技術(shù)

高紅杰
（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安710043）

西（寧）格（爾木）二線關(guān)角特長隧道地處青藏高原東北緣，自然條件惡劣，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。在地質(zhì)勘察階段采用遙感技術(shù)與大面積地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、試驗、測試相結(jié)合的綜合勘察方法，并運用一系列地質(zhì)勘察新技術(shù)，較為準確地查明了越嶺區(qū)的地質(zhì)條件。施工中采用全過程動態(tài)設(shè)計，不斷完善隧道地質(zhì)資料，有效指導(dǎo)了隧道施工。本文對該隧道所采用的地質(zhì)勘察技術(shù)進行系統(tǒng)的總結(jié)。

地質(zhì)勘察；地質(zhì)選線；綜合物探；高海拔特長隧道

1　工程概況

關(guān)角隧道位于西格二線天棚站至察汗諾站之間，是青藏鐵路西寧至格爾木段增建二線的控制性工程。隧道全長32.690 km，為2座單線隧道，設(shè)有10座/ 15.141 km斜井輔助施工。關(guān)角隧道于2007年11月6日開工建設(shè)，2014年4月15日貫通，同年12月20日開通運營，是目前國內(nèi)已建成的最長鐵路隧道，也是世界最長的高海拔隧道。

關(guān)角隧道工程有如下特點：①工程規(guī)模大，隧道正洞、輔助坑道及泄水洞長度總計達90.971 km；②自然環(huán)境差，工程位于青藏高原東北緣，海拔高，地面高程3 400～4 500 m，高寒缺氧，勘察環(huán)境及自然條件十分惡劣；③勘察范圍大，在初測前加深地質(zhì)及初測方案比選中，進行了3個長度不同的越嶺隧道方案比選，地質(zhì)調(diào)繪的范圍達600 km2，在如此寬廣的范圍內(nèi)選擇一條地質(zhì)條件好、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的隧道方案，難度極大。

2　地質(zhì)條件

關(guān)角隧道地質(zhì)條件極其復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下4個方面：

1）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。關(guān)角隧道位于新構(gòu)造活動強烈的青藏高原東北緣，斷裂構(gòu)造發(fā)育，洞身通過4條區(qū)域性斷裂及13條次級斷裂。其中二郎洞斷裂帶（F3）是由6條次級斷層組成的斷層束，寬度近3 km，主斷帶寬520 m。斷帶內(nèi)巖體破碎，對工程影響大。

2）地層巖性復(fù)雜。隧道區(qū)域沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖3大巖類均有分布，以變質(zhì)巖為主。隧道通過的地層巖性主要有第四系砂質(zhì)黃土、黏性土及砂類土、碎石類土，三疊系、二疊系灰?guī)r及砂巖，石炭系變質(zhì)砂巖、片巖、板巖及大理巖，志留系板巖、變質(zhì)砂巖，下元古界片麻巖、混合巖，并伴有華力西期閃長巖、花崗巖。

3）嶺脊灰?guī)r段巖溶裂隙水發(fā)育，水量大且分布不均。關(guān)角隧道關(guān)角日吉山北坡和嶺脊附近，出露大面積二疊系、三疊系灰?guī)r，隧道通過灰?guī)r段長度約為9.17 km，層厚質(zhì)純，地表巖溶形態(tài)以溶隙、溶槽為主，局部發(fā)育溶洞。由于巖體受構(gòu)造影響的程度不同，其節(jié)理及巖溶裂隙的發(fā)育程度及連通情況也差異較大，因此，不同地段巖體的富水性也差異較大。巖體節(jié)理及巖溶裂隙不發(fā)育地段巖體較完整，地下水也不發(fā)育，以滴水、滲水為主。巖體節(jié)理及巖溶裂隙發(fā)育地段巖體較破碎，地下水發(fā)育，以股狀、雨狀涌水為主。

4）區(qū)域地應(yīng)力較高，存在高地應(yīng)力軟巖（斷層帶）變形。由于隧道區(qū)位于新構(gòu)造活動強烈的青藏高原東北緣，跨越柴達木陸塊北緣、宗務(wù)隆山裂陷槽、南祁連陸塊3個大地構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)斷裂及褶皺均發(fā)育。隧道最大埋深1 000 m以上，存在較高的地應(yīng)力。洞身通過十幾條斷層，其斷層破碎帶圍巖軟弱破碎，發(fā)生較大變形的可能性大。洞身通過的粉細砂層、片巖及河谷淺埋段圍巖軟弱破碎，易發(fā)生變形、突水突泥、圍巖失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害。

3　主要勘察方法

3.1利用新技術(shù)進行綜合地質(zhì)勘察

1）在大面積地質(zhì)調(diào)繪中，采用遙感技術(shù)提高了勘察效率。遙感采用ETM彩色合成影像圖（1∶50 000）及黑白航空照片（1∶10 000）。先進行室內(nèi)判釋，然后進行室外核對。這改變了以往點→線→面的常規(guī)地面調(diào)查方法，變成了面→線→點。這樣不會遺漏大的地面不良地質(zhì)問題及有價值的線路方案，為線路方案比選提供了較為廣闊的視域，并提高了勘察效率。

2）采用以多功能大地電磁系統(tǒng)（V8）為主的綜合物探技術(shù)，提高了資料的準確性。針對關(guān)角隧道越嶺區(qū)的地質(zhì)特點，勘察中首次將多功能大地電磁系統(tǒng)（V8）成功應(yīng)用于長大深埋越嶺隧道地質(zhì)勘察，在資料的解譯中，首次將CSAMT，AMT數(shù)據(jù)通過WinGlink軟件進行數(shù)據(jù)處理，完全實現(xiàn)了CSAMT，AMT數(shù)據(jù)帶地形的二維反演，較好地減輕了地形及靜態(tài)影響，提高了地質(zhì)解釋效果和資料的準確性。

3）一孔多用和多參數(shù)綜合測井提高了深孔的利用率。在勘察中堅持一孔多用，在孔內(nèi)進行多參數(shù)的綜合測井。深孔綜合測井中，首次對聲波全波列數(shù)據(jù)進行相似相關(guān)法速度分析，提取巖石的縱、橫波速度。除進行水文地質(zhì)測試（抽水、壓水）和孔內(nèi)地應(yīng)力測試外，還進行了其他7種參數(shù)（自然重度、井溫、自然電位、電阻率、井徑、聲波、地震波）和水文地質(zhì)的綜合測井。通過有限的深孔，最大限度地獲取更多的地質(zhì)信息，發(fā)揮了每個鉆孔的作用，提高了深孔的利用率。

4）采用地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探等方法，查明隧道區(qū)灰?guī)r段的巖溶發(fā)育特征，對灰?guī)r段斜井及正洞的可能突涌水段進行分析與預(yù)測。針對關(guān)角隧道嶺脊附近出露的大面積二疊系、三疊系灰?guī)r，在地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，采用綜合物探、鉆探等方法，查明了隧道區(qū)巖溶發(fā)育特征。隧道區(qū)巖溶屬寒帶、裸露型巖溶，地表巖溶形態(tài)以溶隙、溶槽為主，有沿層面線狀發(fā)育的橢圓形溶洞，小者不足1 m，大者1～2 m，因受地質(zhì)構(gòu)造及大氣降水等因素的影響，北坡較南坡發(fā)育。地下巖溶不發(fā)育，以溶隙為主，僅在DSZ-7孔中發(fā)現(xiàn)一小型溶洞，溶洞內(nèi)以黏土充填。根據(jù)綜合物探成果對灰?guī)r段巖體的富水性進行了分析，對施工中可能涌水的范圍進行了初步預(yù)測，且經(jīng)施工驗證，效果較好。4號斜井洞身AMT剖面電阻率斷面圖顯示，4號斜井井身有3個低阻帶。根據(jù)地表地質(zhì)調(diào)繪，井身地表基巖裸露，無明顯的構(gòu)造發(fā)育，因此，推測這3個低阻帶為地下水富水帶，預(yù)測施工中存在突涌水的可能。施工時這3段在施工中均發(fā)生了較大涌水。

3.2開展大面積綜合地質(zhì)選線

在初測前的加深地質(zhì)及初測工作中，通過大面積地質(zhì)調(diào)繪并結(jié)合物探及少量鉆探，初步查明了越嶺隧道區(qū)600 km2范圍內(nèi)的地質(zhì)條件。在既有天棚車站與察汗諾車站之間，隧道進口東到魯茫曲西至315國道（關(guān)角埡口）和出口東到達爾其茍圖西至315國道的廣大區(qū)域內(nèi)，結(jié)合展線工程進行了3個長度不同的越嶺隧道方案綜合比選，確定了合理的越嶺隧道方案。

3.3通過專題研究解決施工中的突涌水等地質(zhì)問題

隧道施工過程中4號斜井涌水量持續(xù)增加，涌水量達130 000 m3/d，并導(dǎo)致淹井事故發(fā)生，嚴重影響隧道施工進度及施工安全。為分析涌水產(chǎn)生的原因，在地質(zhì)調(diào)繪、物探的基礎(chǔ)上，采用同位素測試、示蹤試驗，流量監(jiān)測等方法，查明了地下水與地表水的水力聯(lián)系，為斜井涌水治理提供了可靠依據(jù)。分析表明克德龍溝地表水與4號斜井地下水之間存在較強的水力聯(lián)系，是斜井發(fā)生涌水的主要原因。

3.4施工中采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

關(guān)角隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，存在突涌水、圍巖失穩(wěn)、高地應(yīng)力條件下的軟巖變形等地質(zhì)問題，施工風(fēng)險高。施工中采用了動態(tài)設(shè)計、動態(tài)管理的施工模式。動態(tài)設(shè)計的主要依據(jù)是超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報成果。因此，在施工中對正洞及所有輔助坑道實行了全過程的超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報。其超前地質(zhì)預(yù)報有如下特點：

1）采用多種預(yù)報方法相互驗證，提高預(yù)報的質(zhì)量。為提高預(yù)報的可靠性，采用洞內(nèi)地質(zhì)編錄與TSP、地質(zhì)雷達、紅外探水、超前水平鉆探相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，根據(jù)掌子面前方地質(zhì)條件的復(fù)雜程度選用合理的方法組合，實現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報的優(yōu)質(zhì)高效。

2）地表與洞內(nèi)預(yù)報相結(jié)合。對地質(zhì)條件特別復(fù)雜地段，在洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上，在地表采用地質(zhì)調(diào)繪、大地音頻電磁測深等方法，對預(yù)報結(jié)果進行補充和驗證，提高預(yù)報成果的可靠性。

3）指導(dǎo)4號斜井成功轉(zhuǎn)向并順利通過富水段。4號斜井施工至X4+88處發(fā)生突涌水，導(dǎo)致斜井被淹。在地面調(diào)繪的基礎(chǔ)上，根據(jù)大地音頻電磁測深二維反演和“切片”資料分析，掌子面前方為一寬約50 m的富水帶，且富水帶地下水和地表水存在較強的水力聯(lián)系，若繼續(xù)施工難度很大，轉(zhuǎn)向是唯一選擇。該富水帶延伸較長，斜井無法繞避，而斜井右側(cè)富水帶更寬、距克德龍溝更近，涌水量更大，因此，只能左拐通過富水帶。因原斜井與正洞的交點也位于富水區(qū)附近，所以其交點位置也由原來的DK291+100調(diào)整為DK290+ 900。根據(jù)物探預(yù)測的富水帶位置、寬度，結(jié)合超前水平鉆探，采用帷幕注漿順利通過該富水帶。通過富水帶后，沒有出現(xiàn)較大的突涌水，并順利施工至交點，說明轉(zhuǎn)向是成功的。

4　地質(zhì)勘察主要技術(shù)創(chuàng)新點

1）首次將多功能大地電磁系統(tǒng)（V8）成功應(yīng)用于高海拔長大深埋越嶺隧道地質(zhì)勘察，提高了勘察效率和質(zhì)量，為合理確定隧道圍巖分級提供了可靠依據(jù)。

2）首次采用以AMT，TEM，CSAMT法為主，多種方法相結(jié)合的綜合物探方法，通過對不同方法取得的結(jié)果進行對比分析提高了物探成果的可靠性和勘察質(zhì)量。

3）在資料的解譯中首次將 CSAMT，AMT數(shù)據(jù)通過WinGlink軟件進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了CSAMT，AMT數(shù)據(jù)帶地形的二維反演，較好地減輕了地形及靜態(tài)影響，提高了地質(zhì)解釋效果和資料的準確性。

4）深孔綜合測井中，首次對聲波全波列數(shù)據(jù)進行相似相關(guān)法速度分析，提取巖石的縱、橫波速度，為合理確定圍巖分級提供了依據(jù)。

5　結(jié)語

在西格二線關(guān)角特長隧道地質(zhì)勘察階段，采用遙感判釋與大面積地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探、鉆探、試驗及測試相結(jié)合的綜合勘察方法，運用一系列地質(zhì)勘察新技術(shù)，查明了越嶺區(qū)地質(zhì)條件；通過大面積綜合地質(zhì)選線，確定合理的越嶺隧道方案；針對隧道施工中的突涌水問題開展了水文地質(zhì)專題研究，為斜井涌水治理提供了可靠依據(jù)；在施工中采用多種方法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，保證了隧道施工安全。該隧道的勘察技術(shù)水平居國內(nèi)領(lǐng)先水平。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.關(guān)角隧道預(yù)設(shè)計［R］.西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2008.

［2］畢煥軍.關(guān)角隧道4號斜井施工集中用水原因分析及最大排水量計算研究［J］.科技交流，2012（3）：42-45.

［3］沈軍明.關(guān)角隧道板巖大變形機制與成因分析［J］.鐵道建筑，2013（5）：102-105.

［4］張旭珍.關(guān)角隧道大變形處理技術(shù)［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，24（1）：17-20.

［5］中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.關(guān)角隧道工程地質(zhì)勘察報告［R］.西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2007.

［6］張玉璽.臥云界山區(qū)巖溶發(fā)育對鐵路隧道的影響分析［J］.鐵道勘察，2011（2）：58-60.

［7］趙天熙，關(guān)角隧道區(qū)域穩(wěn)定性評價與地質(zhì)分析［J］.鐵道建筑，2009（9）：51-55.

（責(zé)任審編李付軍）

Geological Survey Technology for Guanjiao Super Long Tunnel on Xining-Golmud Second Railway

GAO Hongjie
（China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China）

Guanjiao super long tunnel is located at the northeastern margin of Qinghai-T ibet Plateau where natural conditions are harsh and geological conditions are extremely complex.During the period of geological suevey，comprehensive survey methods such as remote sensing interpretation，widespread geological survey，comprehensive geophysical prospecting，drilling，experiments and tests had been applied.Using a series of geological survey new technologies，geological conditions throughmountainhadbeenascertainedaccurately.Duringthe periodof construction，the dynamic information-based design not only improved tunnel geological data but also effectively instructed tunnel construction.T he paper systematically summarized the tunnel survey technologies used in this tunnel engineering.

Geological survey；Geology route selection；Comprehensive geophysical prospecting；High altitude super long tunnel

高紅杰（1969— ），男，高級工程師。

U452.1+1；U452.1+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.19

1003-1995（2016）07-0077-03

2016-01-15；

2016-03-17